Контрольная работа по "Химии"

Физические свойства Железа зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Железу, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает так называемых красноломкость, фосфор (даже 10^-2% Р) - хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Железа (т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10^-7 - 10^-9% приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.

Ниже приводятся физические свойства Железа, относящиеся в основном к металлу с общим содержанием  примесей менее 0,01% по массе:

Атомный радиус 1,26Å

Ионные радиусы Fe²⁺0,80Å, Fe³⁺ 0.67Å

Плотность (20°C) 7 ,874 г/см³

t_пл 1539°С

t_кип около 3200°С

Температурный коэффициент  линейного расширения (20°С) 11,7·10^-6

Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·K) [0,177 кал/(см·сек·град)]

Теплоемкость Железа зависит  от его структуры и сложным  образом изменяется с температурой; средняя удельная теплоемкость (0-1000°С) 640,57 дж/(кг·К) [0,153 кал/(г·град)].

Удельное электрическое  сопротивление (20°С) 9,7·10^-8 ом·м

Температурный коэффициент  электрического сопротивления (0-100°С) 6,51·10^-3

Модуль Юнга 190-210·10³ Мн/м² (19-21·10³ кгс/мм²)

Температурный коэффициент  модуля Юнга 4·10^-6

Модуль сдвига 84,0·10³ Мн/м²

Кратковременная прочность  на разрыв 170-210 Мн/м²

Относительное удлинение 45-55%

Твердость по Бринеллю 350-450 Мн/м²

Предел текучести 100 Мн/м²

Ударная вязкость 300 Мн/м²

Химические свойства Железа. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d⁶4s². Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного Железа). С кислородом Железо образует оксид (II) FeO, оксид (III) Fe₂O₃ и оксид (II,III) Fe₃O₄(соединение FeO c Fe₂O₃, имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре Железо покрывается рыхлой ржавчиной (Fe₂O₃·nH₂O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн Железа. При нагревании Железа в сухом воздухе выше 200 °С оно покрывается тончайшей оксидной пленкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты Железа - воронения. При нагревании в водяном паре Железо окисляется с образованием Fe₃O₄ (ниже 570 °С) или FeO (выше 570 °С) и выделением водорода.

Гидрооксид Fe(OH)₂ образуется в виде белого осадка при действии едких щелочей или аммиака на водные растворы солей Fe²⁺ в атмосфере водорода или азота. При соприкосновении с воздухом Fe(OH)₂ сперва зеленеет, затем чернеет и наконец быстро переходит в красно-бурый гидрооксид Fe(OH)₃. Оксид FeO проявляет основные свойства. Оксид Fe₂O₃амфотерен и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными оксидами (например, с MgO, она образует ферриты - соединения типа Fe₂O₃·nMeO, имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике. Кислотные свойства выражены и у 6-валентного Железа, существующего в виде ферратов, например K₂FeO₄, солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты.

Железо легко реагирует  с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды FeCl₂ и FeCl₃. При нагревании Железа с серой образуются сульфиды FeS и FeS₂. Карбиды Железа - Fe₃C (цементит) и Fe₂C (е-карбид) - выпадают из твердых растворов углерода в Железе при охлаждении. Fe₃C выделяется также из растворов углерода в жидком Железе при высоких концентрациях С. Азот, подобно углероду, дает с Железом твердые растворы внедрения; из них выделяются нитриды Fe₄N и Fe₂N. С водородом Железо дает лишь малоустойчивые гидриды, состав которых точно не установлен. При нагревании Железо энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, Fe₃Si и фосфиды (например, Fe₃P).

Соединения Железа с многими элементами (О, S и другими), образующие кристаллическую структуру, имеют переменный состав (так, содержание серы в моносульфиде может колебаться от 50 до 53,3 ат.%). Это обусловлено дефектами кристаллической структуры. Например, в оксиде Железа (II) часть ионов Fe²⁺ в узлах решетки замещена ионами Fe³⁺; для сохранения электронейтральности некоторые узлы решетки, принадлежавшие ионам Fe²⁺, остаются пустыми.

Нормальный электродный  потенциал Железа в водных растворах  его солей для реакции Fe = Fe²⁺ + 2e составляет -0,44 в, а для реакции Fe = Fe³⁺ + 3e равен -0,036 в. Таким образом, в ряду активностей Железо стоит левее водорода. Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением Н₂ и образованием ионов Fe²⁺. Своеобразно взаимодействие Железа с азотной кислотой. Концентрированная HNO₃ (плотность 1,45 г/см³) пассивирует Железо вследствие возникновения на его поверхности защитной оксидной пленки; более разбавленная HNO₃ растворяет Железо с образованием ионов Fe²⁺ или Fe³⁺, восстанавливаясь до NH₃ или N₂ и N₂O. Растворы солей 2-валентного Железа на воздухе неустойчивы - Fe²⁺постепенно окисляется до Fe³⁺. Водные растворы солей Железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Добавление к растворам солей Fe³⁺тиоцианат-ионов SCN- дает яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения Fe(SCN)₃ что позволяет открывать присутствие 1 части Fe³⁺примерно в 10⁶ частях воды. Для Железа характерно образование комплексных соединений.